Καίσιο: υλικό για το τέλειο ρολόι

Το ατομικό ρολόι NIST-F2 θα χάνει μόλις ένα δευτερόλεπτο στα 300 εκατομμύρια χρόνια. Ηδη από τις αρχές του έτους η NIST ανακοίνωσε ότι δέχετα 8 δισ. αυτοματοποιημένες αιτήσεις την ημέρα για συγχρονισμό συσκευών και υπολογιστών με τον χρόνο της!

Υπάρχουν αυτή τη στιγμή ρολόγια που μετρούν τον χρόνο με τόση ακρίβεια ώστε να χάνουν 1 δευτερόλεπτο στα 100 εκατομμύρια χρόνια. Είναι γνωστά ως ατομικά ρολόγια και βασικό ρόλο στη μέτρηση του χρόνου παίζουν μερικά εκατομμύρια καλά εγκλωβισμένων ατόμων καισίου. Και μόλις τον Απρίλιο του 2014, από το αμερικανικό National Institute for Science and Technology (NIST), παρουσιάστηκε το ατομικό ρολόι της επόμενης γενιάς, το NIST-F2, που θα χάνει 1 δευτερόλεπτο στα 300 εκατομμύρια χρόνια. Ο πρόγονός του ήταν το NIST-F1, πάλι με καίσιο, που είχε τεθεί σε λειτουργία στις αρχές της προηγούμενης δεκαετίας.

Προτού εξηγηθεί το πώς εργάζονται αυτά τα περίεργα, χωρίς γρανάζια και χωρίς κρυστάλλους ακριβέστατα ρολόγια, ίσως είναι χρήσιμο να δοθεί μια απάντηση στο γιατί υπάρχει αυτή η κούρσα για όλο και πιο ακριβείς μετρητές του χρόνου. Για μια πιο πρόχειρη απάντηση, αρκούν δύο λέξεις: Τεχνολογική πρόοδος. Η εξέλιξη δηλαδή των υπόλοιπων μηχανημάτων και κυκλωμάτων που βρίσκονται σε κοινή και παγκόσμια χρήση απαιτεί όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια στη μέτρηση του χρόνου. Μόνον οι συνηθισμένες επικοινωνίες και απευθείας ανταλλαγές εικόνων μέσα από τον παγκόσμιο ιστό απαιτούν μιαν ακρίβεια ενός εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου μέσα στο εικοσιτετράωρο. Για τα συστήματα προσδιορισμού θέσης (GPS), όπου κινούνται συνεχώς επάνω από τα κεφάλια μας δορυφόροι και ανταλλάσσονται σήματα απαραίτητα για τον προσδιορισμό της θέσης, απαιτείται ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια, η οποία φθάνει το 1 δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου για κάθε ημέρα.

Τα πρώτα ατομικά ρολόγια φτιάχτηκαν γύρω στο 1950 και ως σήμερα η ακρίβειά τους έχει βελτιωθεί κατά 1 εκατομμύριο φορές. Από τα βασικά στοιχεία ως σήμερα ήταν και το καίσιο. Τα ονομάζουμε «ατομικά» διότι η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στη συμπεριφορά των ατόμων ενός στοιχείου που έχει επιλεγεί για κάποια συγκεκριμένη αντίδραση απέναντι σε ακτίνες όχι απαραίτητα ορατές από τα δικά μας μάτια. Ως το 1964 προτιμούσαν να ορίζουν το δευτερόλεπτο με βάση την περιστροφή της Γης. Μετά όμως παρατήρησαν ότι κάνοντας στροφή προς το εσωτερικό των ατόμων, με τη βοήθεια και της Κβαντομηχανικής που έφερε στην επιφάνεια τους ιδιαίτερους νόμους, τους νόμους του μικροκόσμου, η ακρίβεια αυξανόταν απίστευτα. Το καίσιο λοιπόν έγινε ένα από τα αγαπημένα τους στοιχεία. Διότι έχει 55 πρωτόνια στον πυρήνα, όπως φαίνεται και από τον ατομικό του αριθμό, και αντίστοιχα 55 ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω του. Ωστόσο έχουμε πλήρως συμπληρωμένες τις τροχιές και ένα ακόμη στην πιο εξωτερική τροχιά. Με αυτό γίνονται όλα. Επειδή όλα τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια εμφανίζονται σαν ένα συμμετρικό νέφος, δεν έχουμε αξιόλογη αλληλεπίδραση με το τελευταίο πιο εξωτερικό ηλεκτρόνιο. Να μην ξεχνάμε όμως ότι υπάρχει και ο πυρήνας που συμπεριφέρεται και αυτός σε γενικές γραμμές σαν ένας μαγνήτης, όπως και το 55ο ηλεκτρόνιο. Αυτά τα δύο ας τα φανταστούμε, αρκετά απλοποιημένα, σαν δύο μαγνήτες που είναι κοντά και επηρεάζουν ο ένας τον άλλον. Τότε το 55ο ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί σε δύο διαφορετικές καταστάσεις, σαν να είναι ένα σκαλοπάτι που μπορεί να το ανεβαίνει όταν πάρει τόση ενέργεια όσο το ύψος του σκαλοπατιού και να το κατεβαίνει ξαναδίνοντας πίσω ακριβώς την ίδια ενέργεια. Αυτές οι δύο καταστάσεις είναι πολύ καλά καθορισμένες και πολύ κοντά σε τιμή ενέργειας (κάτι τέτοιο στη Φυσική ονομάζεται υπέρλεπτη υφή). Αν λοιπόν το εξωτερικό ηλεκτρόνιο δεχθεί μια ακτίνα με ενέργεια ακριβώς όση είναι η διαφορά των δύο ενεργειακών τιμών, ανεβαίνει το σκαλοπάτι, αλλά ταυτόχρονα αλλάζει προσανατολισμό η «περιστροφή» του. Κάθε λοιπόν ανέβασμα ή κατέβασμα στο μικρό αυτό σκαλοπάτι αντιστοιχεί στο τικ-τακ ενός φανταστικού αλλά και φανταστικά ακριβούς ρολογιού. Μόνο που αυτό προλαβαίνει να γίνεται 9.192.631.770 φορές κάθε δευτερόλεπτο, χωρίς όμως να ξεφεύγει από αυτό το νούμερο, εξ ου και η μεγάλη ακρίβεια.

Στα αμερικανικά αγγλικά το προφέρουν σίζιουμ, επειδή το γράφουν Cesium, ενώ πιο σωστό είναι να γράφεται Caesium, από τη λατινική λέξη που σημαίνει το γαλάζιο του ουρανού. Αυτό οφείλεται στις δύο αντίστοιχου περίπου χρώματος γραμμές που εμφανίζονται στο χαρακτηριστικό για αυτό το στοιχείο φάσμα.

Ατομικός αριθμός: 55

Ατομικό βάρος: 132,90545

Σημείο τήξης: 28^οC

Σημείο ζέσης: 679^οC

Πυκνότητα: 1,9 gr/cm3

Αριθμός ισοτόπων: 40

Χρόνος ημιζωής: Το φυσικό καίσιο Cs-133 δεν είναι ραδιενεργό, ενώ το μακροβιότερο, το Cs-135, έχει χρόνο ημιζωής 2,3 εκατομμύρια χρόνια

Η πυρηνική καταστροφή του Τσερνόμπιλ μόλυνε φάρμες ζώων ως και τη Σκωτία με καίσιο-133. Το «μπλε της Πρωσίας» (φωτογραφία κάτω) χορηγούμενο σε μορφή κάψουλας στα ζώα δεσμεύει το καίσιο και ταυτόχρονα απελευθερώνει κάλιο

Το καίσιο-133 που χρησιμοποιείται στα ρολόγια είναι φυσικό ισότοπο και όχι ραδιενεργό. Παρ’ όλα αυτά ποντικοί ύστερα από δίαιτα που περιελάμβανε καίσιο-133 πέθαναν μέσα σε δύο εβδομάδες, αφού το καίσιο έχει την κακή ιδιότητα να αντικαθιστά το κάλιο σε διάφορες χρήσιμες για τους ζωντανούς οργανισμούς ενώσεις. Από την εποχή των πυρηνικών δοκιμών στον αέρα γνωρίζουμε επίσης ότι το καίσιο-137 ρυπαίνει το περιβάλλον, αν και χρησιμοποιείται σε πολύ μικρές ποσότητες για την καταπολέμηση γυναικολογικών όγκων εξαιτίας των ακτίνων γ που εκπέμπει όντας ραδιενεργό. Ο χρόνος ημιζωής του είναι 30 χρόνια και αυτό σημαίνει ότι περνούν 200 χρόνια ώσπου να περιοριστεί η παρουσία του σε έναν τόπο στο 1% της αρχικής ποσότητας.

H καταστροφή του Τσερνόμπιλ, που τροφοδότησε την ατμόσφαιρα με πολύ καίσιο-133, επηρέασε φάρμες ζώων ως και τη Σκωτία. Οι βροχές το προσγείωσαν στο έδαφος, πέρασε στο χόρτο και από εκεί στο κρέας των ζώων που έβοσκαν έξω. Επειδή το καίσιο αποβάλλεται γρήγορα από το σώμα, βρήκαν τον τρόπο να ταΐζουν τα ζώα πριν από τη σφαγή επί οκτώ ημέρες τουλάχιστον με καθαρό χόρτο, αλλά αυτό δεν λύνει το πρόβλημα της γενικότερης μόλυνσης. Μια άλλη μέθοδος καθαρισμού των οργανισμών είναι με τη χρήση της ουσίας Prussian Blue, που περιέχει κάλιο και αυτό σε μορφή κάψουλας μένει για εβδομάδες στο στομάχι και δίνει αργά αλλά σταθερά κάλιο ενώ δεσμεύει το καίσιο. Χορηγείται και στους ανθρώπους, αλλά όταν δεν υπάρχει κάποιο ιδιαίτερο περιστατικό αρκεί να χρησιμοποιούμε τροφές πλούσιες σε κάλιο. Προσοχή χρειάζεται και σε λιχουδιές που (ακόμη και για περιβαλλοντικούς λόγους) θα ήταν καλό να αποφεύγουμε, όπως είναι ο γαλαζόπτερος τόνος που βρέθηκε στις ακτές της Καλιφόρνιας επιβαρημένος με καίσιο, προφανώς λόγω του συμβάντος στη Φουκουσίμα!

Μόλις 20 τόνοι καισίου παράγονται τον χρόνο από ένα κοίτασμα στην Bernic Lake στη Μανιτόμπα του Καναδά κυρίως, το οποίο περιλαμβάνει περίπου 60.000 τόνους. Θέρμανση με υδροχλωρικό οξύ αφήνει πίσω καίσιο ανακατεμένο με χλώριο και άλλα μέταλλα, οπότε χρειάζεται και άλλο στάδιο, με ηλεκτρόλυση ή θέρμανση παρουσία ασβεστίου. Μια ιδιαίτερη χρήση του καισίου είναι στην ένωση μυρμηγκικό καίσιο, που χρησιμοποιείται ως λιπαντικό υγρό για τα γεωτρύπανα. Διότι είναι πολύ πυκνό, αντέχει τις πιέσεις χωρίς να «σπάει» και, όπως λέγεται, δεν ρυπαίνει το περιβάλλον.

Χρειάζεται η εγκατάσταση μιας δέσμης που θα δίνει κάθε φορά μια παρτίδα από άτομα καισίου, ας πούμε 100 εκατομμύρια άτομα (για να έχουμε μιαν αίσθηση μεγέθους). Περνώντας την παρτίδα από μαγνητικό πεδίο επιλέγουμε όσα είναι στην ίδια κατάσταση και έχουν το ίδιο σπιν. Με ακτίνες λέιζερ τα συγκεντρώνουμε έτσι ώστε να συγκροτούν μια ομοιογενή σφαίρα. Στέλνουμε σε συνθήκες κενού μια μικροκυματική ακτινοβολία με συχνότητα ίση με αυτήν του ταλαντωτή που ρυθμίζει την ώρα στο ρολόι μας. Πρέπει να είναι όσο γίνεται πιο κοντά στη συχνότητα του «σκαλοπατιού» που ανεβάζει το κάθε μοναχικό ηλεκτρόνιο στο επόμενο πολύ κοντινό ενεργειακό επίπεδο. Κάποια άτομα δεν θα συντονιστούν, και αυτό εξαρτάται από το πόσο μακριά από τη συχνότητα 9.192.631.770 βρίσκεται η δέσμη μας. Γίνεται διόρθωση, η σφαίρα των ατόμων καισίου ανυψώνεται και στην επιστροφή ακτινοβολείται ξανά. Το αν έχει πλησιάσει αρκετά τη σωστή συχνότητα φαίνεται από το πλήθος των ηλεκτρονίων που θα συντονιστούν. Οταν ο πληθυσμός έχει φθάσει κάποια όρια, σημαίνει ότι η συχνότητα του ταλαντωτή είναι κοντά στην ιδανική και το ρολόι διορθώθηκε. Αυτό γίνεται συνέχεια ώστε να μην ξεφεύγει από την τιμή 9.192.631.770.

Ναι, εδώ: http://time.is/